细菌感染和生物膜的发展对全球人类健康构成了重大威胁[1,2]。与植入物相关的感染可能导致炎症甚至危及生命的并发症[3,4]。开放性骨折后的细菌感染和随后的生物膜形成会阻碍骨骼愈合，导致高失败率[5,6]。根据2018年国际肌肉骨骼感染共识会议的报告，骨科感染的发病率在0.1%到3%之间，全球每位患者的治疗费用估计在17,000至150,000美元之间[7]。细菌对中心静脉导管的粘附可能导致血流感染，其死亡率高达12%-25%[8,9]。据报道，60%的慢性伤口与生物膜形成有关[10]。与浮游细菌相比，生物膜对抗菌剂的抵抗力强10到1000倍[11,12]。细菌粘附是感染和生物膜形成的第一步和关键过程[4,13]。为了预防细菌感染和生物膜的形成，需要研究细菌的粘附行为。
细菌粘附主要受生物材料表面性质（表面形态[14,15]、粗糙度[16,17]、润湿性[18,19]、电荷[20,21]、硬度[22,23]和聚合物刷涂层[24,25,26]）、细菌表面性质（细菌表面润湿性[27]、电荷和附属结构[28]）以及细菌粘附素与宿主细胞表面受体的特异性结合[29,30]的影响。因此，需要深入理解细菌与生物材料之间的相互作用。测量的粘附力反映了初始细菌粘附的强度。然而，精确测量细菌粘附力仍然是一个挑战。
可以使用新技术测量细菌粘附力，包括细胞追踪系统[31,32]、光镊[33]和原子力显微镜（AFM）[34]等。通过细胞追踪方法，将粘附的细菌暴露在不同速度的流体流中，并追踪其位移以估计细菌粘附力。光镊利用光辐射压力捕捉和操纵细菌，间接测量细菌粘附力。相比之下，AFM技术通常用于直接量化细菌粘附力。在基于AFM的力谱技术中，将细菌固定在AFM悬臂上并靠近基底，然后收回以从力-距离曲线中测量粘附力[35]。细菌粘附力包含多种相互作用，包括Lifshitz-van der Waals相互作用、静电相互作用[36]、氢键、特异性相互作用[37]和大分子展开[38]。例如，野生型铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在疏水表面的粘附力高于无菌毛突变体，表明细菌菌毛对细菌粘附至关重要[39]。假中间葡萄球菌（Staphylococcus pseudintermedius）可以通过细菌表面蛋白与血浆纤维蛋白原（Fg）的结合牢固地附着在哺乳动物细胞上[40]。为了深入了解这些相互作用，已经开发了多种方法来分析AFM力-距离曲线，包括热力学方法、Derjaguin?Landau?Verwey?Overbeek（DLVO）理论、蒙特卡洛模拟、生物物理模型和泊松分析等[41,42,43]。总结可用于解释力谱结果的方法将有助于理解细菌-表面相互作用。随后，基于AFM的力谱技术被用来研究生物材料和表面修饰对细菌粘附的影响。例如，带正电的聚合物刷比带负电或中性的表面具有更强的粘附力，这是由于静电作用的不同[41]。通过增加表面粗糙度或修改表面纳米结构可以降低细菌粘附力，因为这减少了细菌的接触面积[42,43]。然而，不同生物材料和表面修饰对细菌粘附力的影响尚未得到系统总结。这样的总结有助于通过提供关于细菌在各种生物材料上粘附力的见解来设计抗菌表面。
因此，本研究旨在全面系统地概述细菌在生物材料上的粘附现象，重点介绍使用细菌探针的基于AFM的力谱技术（图1）。首先，介绍了参与细菌粘附的不同相互作用和力，总结了制备细菌探针的各种策略。然后，讨论了分析AFM力-距离曲线的重要热力学和动力学模型。最后，我们全面讨论了不同生物材料（包括金属、陶瓷、聚合物和细胞）以及不同表面修饰（包括表面图案化、聚合物涂层等）对细菌粘附力的影响。这些深入的讨论有助于理解细菌粘附并设计具有抗菌特性的表面。
